MẠCH đèn ĐƯỜNG THÔNG MINH GIAO TIẾP BẰNG RF và điều KHIỂN BẰNG WIFIBLUETOOTH (có code)

MẠCH đèn ĐƯỜNG THÔNG MINH GIAO TIẾP BẰNG RF và điều KHIỂN BẰNG WIFIBLUETOOTH (có code) MẠCH đèn ĐƯỜNG THÔNG MINH GIAO TIẾP BẰNG RF và điều KHIỂN BẰNG WIFIBLUETOOTH (có code) MẠCH đèn ĐƯỜNG THÔNG MINH GIAO TIẾP BẰNG RF và điều KHIỂN BẰNG WIFIBLUETOOTH (có code) MẠCH đèn ĐƯỜNG THÔNG MINH GIAO TIẾP BẰNG RF và điều KHIỂN BẰNG WIFIBLUETOOTH (có code)

MẠCH ĐÈN ĐƯỜNG THÔNG MINH GIAO TIẾP BẰNG RF VÀ ĐIỀU KHIỂN

BẰNG WIFI/BLUETOOTH

i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VIII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IX

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ MẠCH 1

1.1 GIỚI THIỆU: 1

1.2 MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG ÁN: 1

1.3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU: 2

1.4 CÁC CÔNG CỤ PHẦN MỀM HỖ TRỢ ĐỒ ÁN: 3

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 4

2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: 4

2.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT: 7

2.2.1 Phần truyền tín hiệu RF (TX): 7

2.2.2 Phần nhận tín hiệu RF (RX): 8

2.3 KẾT NỐI GIỮA CÁC KHỐI: 9

2.3.1 Kết nối giữa Arduino với module RF CC1101: 9

2.3.2 Kết nối giữa Arduino và Module Light Sensor: 14

2.3.3 Kết nối giữa Arduino và PIR Sensor: 16

2.3.4 Kết nối giữa Arduino và Module Bluetooth HC-05: 17

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THI CÔNG 20

3.1 THI CÔNG PHẦN CỨNG: 20

3.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG: 23

3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG: 24

CHƯƠNG 4 NHẬN XÉT 25

4.1 VẤN ĐỀ TRONG MẠCH: 25

4.2 NHẬN XÉT HỆ THỐNG: 25

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 26

5.1 KẾT LUẬN: 26

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN: 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

PHỤ LỤC 28

ii

BẢNG 2-2: KẾT NỐI CHÂN GIỮA ARDUINO VÀ LIGHT SENSOR 14

iii

HÌNH 1-1: HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH [5] 2 HÌNH 1-2: HÌNH ẢNH PHẦN MỀM PROTEUS 3 HÌNH 1-3: HÌNH ẢNH PHẦN MỀM ARDUINO IDE 3

iv

HÌNH 2-5: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MÔ TẢ KẾT MỐI GIỮA CÁC KHỐI 9

HÌNH 2-6: BOARD ARDUINO UNO R3 10

HÌNH 2-7: SƠ ĐỒ CHÂN CHIP ATMEGA 328 CỦA BOARD ARDUINO [9] 11

HÌNH 2-8: MODULE RF CC1101 SPI 13

HÌNH 2-9: SƠ ĐỒ CHÂN MODULE RF CC1101 [10] 14

HÌNH 2-10: MODULE LIGHT SENSOR 15

HÌNH 2-11: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ LIGHT SENSOR [8] 15

HÌNH 2-12: MODULE PIR SENSOR 16

HÌNH 2-13: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIR [7] 17

HÌNH 2-14: MODULE BLUETOOTH HC-05 18

HÌNH 2-15: MODULE BLUETOOTH HC-05 Và HC-06 [11] 19

HÌNH 3-1: MẠCH IN TX VẼ BẰNG PROTEUS 20

HÌNH 3-2: MẠCH IN RX VẼ BẰNG PROTEUS 20

HÌNH 3-2: MẠCH IN CỦA BOARD ARDUINO 21

HÌNH 3-3: MẠCH IN SAU THI CÔNG 21

HÌNH 3-5: MẠCH IN ARDUINO SAU THI CÔNG 22

HÌNH 3-6: MẠCH THỰC TẾ CỦA HỆ THỐNG TX 22

HÌNH 3-7: MẠCH THỰC TẾ CỦA HỆ THỐNG RX 22

HÌNH 3-8: MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÈN THÔNG MINH 23

HÌNH 3-9: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÈN THÔNG MINH 24

v

IC Integrated Circuit

ID Identification

IRQ Interrupt Request Line

LDR Light Dependent Resistor

MISO Master In Slave Out

MOSI Master Out Slave In

PIR Passive InfraRed

PPM Pulse Position Modulation

PWM Pulse Width Modulation

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ MẠCH

1.1 Giới thiệu:

- Trong bối cảnh phát triển công nghệ mạnh mẽ của xã hội hiện nay, thì hệthống chiếu sáng công cộng là một hệ thống tất yếu không thể thiếu đối với đờisống con người, nó là nguồn sáng phục vụ con người, nhất là những sinh hoạt vềđêm

- Bên cạnh việc chiếu sáng phục vụ con người thì hệ thống chiếu sáng gópphần đảm bảo an ninh, an toàn về cơ sở vật chất và con người Hơn nữa với việctạo ra hệ thống chiếu sáng thông minh còn làm tăng mỹ quan và làm đẹp cảnhquan môi trường vào ban đêm Nên việc thiết kế mạch đèn chiếu sáng thông minhvới sự đảm bảo về an ninh không chỉ giúp con người an tâm mà còn mang đến sựtiện lợi, đa dụng phục vụ tốt hơn cho cuộc sống con người trong thời điểm xã hộihiện đại hóa Vì vậy, khi sử dụng người dùng không cần tác động trực tiếp lên màvẫn có thể đóng mở đèn theo ý muốn hoặc một cách tự động

- Với những vấn đề trên cộng thêm những kiến thức học được cùng với các tàiliệu tham khảo để có thể thực hiện đồ án mạch đèn thông minh với mục đích đemlại sự thoải mái và an tâm cho người dùng Đồ án có thể được hoàn thành nhưngvẫn có những thiếu sót ngoài mong đợi, mong thầy cô và các bạn đóng góp thêm

để các báo cáo đồ án sau được hoàn thiện hơn

1.2 Mục tiêu và phương án:

- Mục tiêu là xây dựng một hệ thống chiếu sáng thông minh để tạo ra một cảnhquan công cộng sạch đẹp và ưu tiên cho việc tiết kiệm năng lượng phục vụ tốt chođời sống

- Một trong những phương án đơn giản nhằm tiết kiệm năng lượng điện dùngcho chiếu sáng đó là sử dụng các thiết bị chiếu sáng hiệu năng cao Đối với hệthống chiếu sáng công cộng, việc thay thế đèn thủy ngân cao áp bằng đèn natri cao

áp có thể giúp tiết kiệm 40-50% năng lượng sử dụng Trong khi việc thay thế bóngđèn sợi đốt bằng đèn huỳnh quang compact có thể giúp tiết kiệm tới 90% điện

thay thế cho các loại đèn sợi đốt loại nhỏ.

Hình 1-1: Hệ thống chiếu sáng thông minh [5]

1.3 Hướng nghiên cứu:

- Thiết kế mô hình 5 đèn minh họa trong đồ án

- Sử dụng board mạch Arduino là vi điều khiển xử lý trung tâm nhận tín hiệu từcác cảm biến, kết hợp điều khiển module RF phát hoặc thu tín hiệu từ RF để xử lý

ở chế độ tự đông và điều khiển đèn bằng Bluetooth

- Sử dụng module RF CC1101 cho việc giao tiếp giữa các đèn với nhau, cảmbiến quang là 1 cảm biến nằm ở trạm đèn chủ phát bằng sóng RF cho các đèn cònlại, cảm biến chuyển động đặt tại các đèn kết hợp cùng tín hiệu nhận RF để điềukhiển đèn sáng tắt tự động khi có vật thể chuyển động qua, dùng moduleBlueTooth HC-05 làm điểm truy cập cho mỗi đèn để có thể điều khiển đèn bằngmột thiết bị khác khi thiết bị này kết nối tới HC-05 và một số linh kiện khác dễ tìmkiếm và thịnh hành trên thị trường tiện cho việc nghiên cứu phân tích mạch

- Tuy nhiên đồ án này là được thiết kế vẫn còn đơn giản chỉ tạo ra hiệu ứngsáng đèn dần được giao tiếp RF kết hợp cảm biến khi có người qua và điều khiểnbằng Bluetooth để bảo đảm sự ổn định của hệ thống và tính an ninh khi sử dụng.

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

2.1 Nguyên lý hoạt động:

- Nguyên lý hoạt động được mô tả trong sơ đồ khối như ở hình dưới Ở chế độ

tự động, mạch chỉ hoạt động khi trời tối và không hoạt động khi trời sáng là nhờ cócảm biến quang ở đèn đầu tiên mỗi dãy đèn Khi trời tối thì cảm biến quang đượckích, có người bước vào đèn đầu tiên thì nhờ có cảm biến quang và chuyển độngthì đèn đầu tiên sẽ sáng đồng thời khi đèn sáng sẽ truyền tín hiệu RF đến cácmodule RF của các đèn còn lại, khi người bước tiếp đến đèn thứ 2 thì lúc này đèn 2

đã nhận được tín hiệu RF kết hợp cùng cảm biến chuyển động thì đèn sáng tương

tự đèn 3,4 và 5 Lưu ý đồ án chỉ dùng cảm biến chuyển động và module RF chocác đèn 2, 3, 4 và 5 nếu đèn 2, 3, 4 và 5 không nhận được tín hiệu RF từ đèn 1 thìđèn 2, 3, 4, 5 sẽ không sáng dù cảm biến chuyển động đã được kích hoạt Ngượclại khi trời sáng thì cảm biến quang không kích hoạt nên đèn 1 sẽ không sáng và sẽkhông truyền RF cho các đèn còn lại vì vậy các đèn còn lại sẽ không sáng

- Ở chế độ điều khiển, ta dùng thiết bị có kết nối bluetooth và tạo các liên kếtđến địa chỉ của các module bluetooth HC-05 được đặt tại mỗi đèn và khi truy cậpvào các địa chỉ này ta có thể điều khiển đèn tương ứng với địa chỉ của bluetoothđó

or Wifi

Hình 2-2: Sơ đồ khối hệ thống RX

2.2 Lưu đồ giải thuật:

2.2.1 Phần truyền tín hiệu RF (TX):

LED ON OR OFF

BEGIN

INPUT SIGNAL

(LIGHT+PIR) SENSOR

Hình 2-3: Lưu đồ giải thuật hệ thống TX

- Ở chế độ tự động trời tối kết hợp chuyển động (INPUT SIGNAL) tạo tín hiệukích cảm biến quang kết hợp với cảm biến chuyển động ở mức cao điều khiển đènsáng đồng thời truyền tín hiệu RF, ngược lại đèn tắt Ở chế độ điều khiển, tín hiệu

từ thiết bị (INPUT SIGNAL) truy cập vào IP của module Bluetooth đưa tín hiệuvào để Arduino xử lý và điều khiển đèn sáng hoặc tắt

2.2.2 Phần nhận tín hiệu RF (RX):

LIGHTON

NOYES

LIGHTOFF

NOYES

MODULE BLUETOOTH

LIGHTOFF

NOYES

LIGHTOFF

NOYES

MODULE BLUETOOTH

LIGHTOFFLIGHT

ON

Hình 2-4: Lưu đồ giải thuật hệ thống RX

2.3 Kết nối giữa các khối:

Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý mô tả kết nối giữa các khối.

2.3.1 Kết nối giữa Arduino với module RF CC1101:

- Bốn chân 10, 11, 12, 13 của board Arduino kết nối với chân SDA, MOSI,MISO, SCK của module RFID tạo kết nối tín hiệu theo giao thức SPI, khi có tínhiệu từ thẻ quét qua đầu đọc thì tín hiệu này sẽ được chuyển đến Arduino để xử lýtín hiệu thông qua bốn chân này

Bảng 2-1: Kết nối chân giữa Arduino và module RFCC1101

END

Arduino Uno module RF C1101

2.3.1.1 Board mạch Arduino Uno R3:

o Sơ lược linh kiện:

- Arduino là một board mạch điều khiển, một bo mạch thiết kế dựa trên nềntảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit

- Dòng Arduino phổ biến được sử dụng là: Arduino Uno R3 (dòng thế hệ 3)

Hình 2-6 :Board Arduino Uno R3

o Thông số kĩ thuật:

 Chip xử lý : ATMEGA 328

 Nguồn nuôi: 5 VDC

 Nguồn ngoài: sử dụng jack tròn dùng ở 7-12 VDC

 Áp dùng giới han: min-max (6-20 VDC)

 số chân Digital: 14 chân có 6 chân xung PWM

 số chân Analog: 6 chân

 Dòng trên chân ra Digital: tối đa 40 mA

 Dung lượng: 32 KB

 Tốc độ xử lý: 16 MHz.

o Chức năng chân Arduino:

- Chân 0 (Rx) và 1 (Tx): dùng để truyền và nhận dữ liệu TTL Serial Thông qua

2 chân này board Arduino có thể giao tiếp với các thiết bị khác

- Chân 3, 5, 6, 9, 10, và 11 (~): cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit

Ta có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0 V đến 5 V thay vì chỉ cốđịnh ở 2 mức 0 V và 5 V

- Chân 10, 11, 12, 13: là các chân SS, MOSI, MISO, SCK Bốn chân này giaotiếp truyền nhận dữ liệu với các thiết bị khác thông qua giao thức SPI và vẫn cóchức năng thông thường như các chân Digital

- Các chân Analog từ A0-A5: cung cấp độ phân giải tín hiệu 10 bit (0 → 210-1)dùng đọc giá trị điện áp từ 0 V → 5 V Đặc biệt, hai chân A4 (SDA) và A5 (SCL)dùng hỗ trợ giao tiếp các thiết bị khác có nhiều chân phức tạp thông qua các mạch

hỗ trợ I2C hoặc TWI

Hình 2-7: Sơ đồ chân chip ATMEGA 328 của bo Arduino [9]

o Ứng dụng:

- Dùng trong việc học tập, nghiên cứu các đồ án môn học, các dự án nghiên cứukhoa học cụ thể như trong các mạch điều khiển led, làm hệ thống nhỏ cho việckiểm tra nhiệt độ - độ ẩm, hiển thị LCD, điều khiển tín hiệu cho các xe mô hìnhđiều khiển từ xa

2.3.1.2 Module RF CC1101:

o Sóng vô tuyến (RF):

- Sóng vô tuyến là một dạng sóng điện từ với bước sóng dài hơn ánh sáng hồngngoại Bước sóng trong khoảng 105 m - 10-3 m tương đương khoảng tần số là 3KHz - 300 GHz

- Sự lan truyền trong không gian: sóng vô tuyến có các tần số khác nhau lantruyền trong khí quyển Trái Đất Ví dụ: sóng dài truyền theo đường cong của TráiĐất, sóng ngắn nhờ phản xạ từ tầng điện ly nên có thể truyền rất xa, các bước sóngngắn hơn bị phản xạ yếu hơn và truyền trên đường nhìn thẳng

- Ứng dụng: dùng cho radar, phát thanh, liên lạc vô tuyến di động và cốđịnh Truyền trong thông tin vệ tinh, các mạng máy tính và các ứng dụng khác

o Module RF CC1101:

Giới thiệu:

- Module RF Tranceiver CC1101 433 MHz sử dụng chip truyền sóng CC1101,giao tiếp SPI Khoảng cách truyền khoảng 200 m trong điều khiện không có vậtcản

 Giao tiếp SPI có tốc độ khoảng 10 Mbps

 Độ nhạy cao: 1.2 Kbps down-110 dBm, 1% packet ber

 Hỗ trợ bộ tính CRC bằng phần cứng tự động (inspection wrong and multipoint address control) Độ tiêu thụ năng lượng thấp (RX, 15.6 mA, 2.4Kbps, với 915 MHz)

point-to- Ở chế độ ngủ tiết kiệm năng lượng có thể lập trình tự động dò sóng theo chu

kì, tự động thức dậy nếu thấy có sóng

 Trước khi truyền dữ liệu tự động kiểm tra kênh sóng, tự động bắt đầu truyền.Module có thể cài đặt địa chỉ, truyền nhận dữ liệu tự động theo địa chỉ Có

bộ đệm dữ liệu riêng cho truyền và phát (64 bytes RX and TX data FIFO)

 Khoảng cách truyền trong môi trường mở lên đến trên 200 mét (phụ thuộcvào điều kiện mỗi trường, tốc độ truyền dữ liệu, )

Hình 2-9: Sơ đồ chân module RF CC1101 [10]

2.3.2 Kết nối giữa Arduino và Module Light Sensor:

- Arduino và Light Sensor được kết nối chân 3 của Arudino với chân DO củaLightSensor Module Light Sensor cảm nhận cường độ sáng bên ngoài và truyềnđến Arduino và Arduino sẽ xử lý tín hiệu

Bảng 2 - 2: Kết nối chân giữa Arduino và Light Sensor

PIN 3 DO

- Dưới đây là trình bày về tìm hiểu module Light Sensor

Module Light sensor:

- Cảmbiến ánh sáng có tích hợp Opamp và biến trở so sánh tín hiệu giúp việcnhận biết tín hiệu trở nên dễ dàng Sử dụng để nhận biết thiết bị đã bật tắt độ cảmứng theo cường độ sáng môi trường

- Cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở có khả năng thay đổi điện trở theo cường

độ ánh sáng chiếu vào Tín hiệu xuất ra của cảm biến là digital HIGH (5V) và LOWtượng trưng cho các trạng thái bật, tắt thiết bị điện tự động

Hình 2-10: Module Light Sensor

Hình 2-11: Sơ đồ nguyên lý Light Sensor [8]

2.3.3 Kết nối giữa Arduino và PIR Sensor:

- Arduino và PIR Sensor được kết nối bởi chân 6 của Arduino và chân data củaPIR giúp nhận dữ liệu chính xác khi có tín hiệu chuyển động vật thể từ ngoài vào

- Ta sẽ đi vào phần tìm hiểu của module PIR Sensor

Module PIR Sensor:

o Giới thiệu:

- Là bộ cảm biến thụ động dùng các tia hồng ngoại làm nguồn kích thích Tiahồng ngoại (IR) chính là những tia nhiệt phát ra từ các vật thể mang nhiệt Trongmọi cơ thể sống, luôn có thân nhiệt và từ cơ thể luôn phát ra các tia nhiệt, hay cònđược gọi là các tia hồng ngoại, lúc đó PIR Sensor sẽ dùng một tế bào điện chuyểnđổi tia nhiệt thành dạng tín hiệu điện và do đó mà có thể tạo ra cảm biến phát hiệncác vật thể mang nhiệt đang chuyển động Lý do gọi cảm biến chuyển động là thụđộng vì nó không thể dùng nguồn nhiệt tự phát mà chỉ phụ thuộc vào các nguồnthân nhiệt tức có sự dịch chuyển, là các thân nhiệt của các thực thể khác, như conngười, con vật, xe cộ…

Khi phát hiện chuyển động cảm biến chuyển động sẽ xuất ra một xung ở mứccao và sẽ được đọc ở vi điều khiển sau đó thực hiện chức năng mong muốn

Hình 2-12: Module PIR Sensor

o Nguyên lý hoạt động:

- Tia nhiệt được phát ra từ các vật thể mang nhiệt thông qua kính Fresnel tớikính lọc lấy tia hồng ngoại, tia hồng ngoại thông qua hai cảm biến hồng ngoại gắnbên trong đầu dò và chuyển hóa sinh ra điện áp được khuếch đại với transistor FET

Từ hai cảm biến hồng ngoại này sẽ cho xuất hiện hai tín hiệu và tín hiệu này sẽđược khuếch đại với biên độ đủ lớn sau đó đưa vào mạch so sánh áp để tạo một tínhiệu đưa vào một thiết bị khác dùng để thu thập dữ liệu và điều khiển

Hình 2-13: Nguyên lý hoạt động của PIR [7]

o Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 3.8 - 5 VDC

- Thời gian báo: 30 s tùy chỉnh trên biến trở

- Nhiệt độ cảm biến: 0 - 50 oC.

- Có thể chỉnh độ nhạy cảm biến tùy ý

2.3.4 Kết nối giữa Arduino và Module Bluetooth HC-05:

- Arduino và Module Bluetooth được kết nối bởi chân 0 (RX) của Arduino vớichân TX của Module Bluetooth và chân 1 (TX) của Arduino với chân RX củamodule Bluetooth giúp việc truyền nhận tín hiệu để có thể điều khiển dễ dàng

- Ta sẽ đi vào phần tìm hiểu của Module Bluetooth

Module Bluetooth HC-05:

- Module HC05 là module thu phát sóng bluetooth không dây, có thể thu sóngbluetooth từ các thiết bị có chức năng kết nối bluetooth như điện thoại di động hoặcPC

- HC-05 được dùng như một cổng COM ảo, việc truyền và nhận với COM ảocũng giống như truyền và nhận data trực tiếp với UART nên HC-05 có thể giao tiếpvới PC nhưng vì HC-05 chỉ truyền nhận ở chế độ bán song công nên tại một thờiđiểm nó chỉ có thể truyền hoặc nhận

Hình 2-14: Module Bluetooth HC-05

o So sánh Bluetooth HC-05 và HC-06:

- Ở Module Bluetooth HC-05 có thể hoạt động được ở 2 chế độ: MASTER hoặcSLAVE Trong khi đó, Module Bluetooth HC-06 chỉ hoạt động ở chế độ SLAVE

- Chế độ SLAVE: cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop… Để dò tìmModule sau đó kết nối với mã PIN là 1234 Sau khi kết nối thành công các tín hiệutruyền nhận được thiết lập Baud mặc định là 9600.

- Chế độ MASTER: Module sẽ tự động dò tìm thiết bị Bluetooth khác nhưlaptop, smartphone… Và tiến hành kết nối chủ động mà không cần thiết lập gì từmáy tính hoặc Smartphone

- Như vậy Module Bluetooth HC-05 có nhiều chức năng hơn Module BluetoothHC-06, tùy vào từng mục đích sử dụng cụ thể mà có thể chọn cho mình module phùhợp

- Giao thức: Bluetooth Specification v2.0+EDRo

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THI CÔNG

3.1 Thi công phần cứng: